利用分子动力学模拟研究FeNiCrCoMn/FeNiCr双金属爆炸焊接的界面特性

《Materials Today Communications》：Interfacial characteristics of FeNiCrCoMn/FeNiCr bimetallic explosive welding using molecular dynamics simulation

爆炸焊接中FeNiCrCoMn高熵合金与FeNiCr中等熵合金的界面行为研究采用分子动力学模拟，系统分析碰撞角度（5°–20°）和速度（750–3750 m/s）对界面温度、应力、扩散及结构演变的影响。结果表明，10°–15°和1250–2250 m/s参数组合最优，产生最高抗拉强度6.17 GPa，其机制为界面剪切应力集中诱导局部成核和原子混合，形成增强机械性能的亚稳结构；而过高能量导致应力分散和界面损伤。该研究首次揭示多主元合金爆炸焊接的原子级动态过程，为工艺优化提供理论依据。

　　爆炸焊接（Explosive Welding, EW）是一种固态连接技术，它通过高速冲击实现不同金属之间的冶金结合。尽管这种技术在工业应用中已经取得了一定的成功，但其在多主元合金系统中形成的原子级过程仍不明确。本文通过分子动力学（Molecular Dynamics, MD）模拟，首次对FeNiCrCoMn高熵合金（High-Entropy Alloy, HEA）与FeNiCr中熵合金（Medium-Entropy Alloy, MEA）之间的爆炸焊接行为进行了原子尺度的探索。研究重点分析了碰撞角度（5°–20°）和冲击速度（750–3750 m/s）对界面温度、应力、扩散以及结构演变的影响，揭示了这些参数如何影响焊接接头的性能。

在爆炸焊接过程中，飞片（flyer plate）由炸药推动，以一定角度撞击基板（base plate），产生强烈的局部压力和温度，从而在极短时间内引发严重的塑性变形，而不导致材料的熔化。这种独特的物理机制使得爆炸焊接能够成功连接那些常规熔焊难以实现的金属组合。此外，由于冲击时间极短，氧化和金属间化合物的形成被有效抑制，同时形成的波浪状界面增强了机械互锁和接合强度。因此，爆炸焊接在航空航天、核能和低温应用领域具有广泛的应用前景。

然而，目前对爆炸焊接过程中原子尺度现象的理解仍然有限。虽然实验研究已经能够表征宏观焊接形态和后续的微观结构，但这些方法无法捕捉瞬时的原子级变化，如原子扩散、堆垛层错（Stacking Fault, SF）形成和局部非晶化。同样，基于连续介质的模拟方法，如有限元（Finite Element Method, FEM）或光滑粒子流体动力学（Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH）模型，虽然能够再现宏观变形和热场，但它们在捕捉键断裂、短程无序和原子扩散方面存在局限性。相比之下，分子动力学模拟能够提供更精细的原子尺度信息，通过飞秒时间分辨率和埃级空间分辨率，揭示爆炸焊接过程中原子级的动态行为。

本文的研究重点在于FeNiCrCoMn HEA与FeNiCr MEA之间的爆炸焊接行为。通过系统分析碰撞角度和冲击速度对界面加热、原子混合、应力集中以及结构演变的影响，研究人员发现，适度的碰撞角度（10°–15°）和冲击速度（1250–2250 m/s）能够促进最佳的结合效果。在这些条件下，界面表现出集中的剪切应力、局部非晶化和堆垛层错的形成，从而实现了高达6.17 GPa的极限抗拉强度（Ultimate Tensile Strength, UTS）。然而，当冲击速度超过3750 m/s时，应力被分散，导致界面损伤，接头完整性下降，从而降低UTS。

爆炸焊接接头的结合机制主要源于剪切诱导的非晶化和缓慢的原子扩散。这些现象由晶格畸变和构型熵的增加所驱动。研究还发现，碰撞角度对界面厚度的影响相对较小，尽管在不同的角度下，原子混合的程度有所不同。界面厚度在20–25 ?之间波动，主要受限于模拟中设定的固定穿透深度（7.5 ?）。因此，碰撞角度的变化更多地影响了界面的形态和对称性，而不是其厚度。

冲击速度对界面行为的影响更为显著。在750–3750 m/s的速度范围内，界面厚度基本保持不变，但局部剪切应变和应力集中随速度增加而增强。在2250 m/s时，界面达到了最高的非晶化程度和堆垛层错含量，从而实现了最强的接头性能。然而，当速度进一步提高到3750 m/s时，应力分布变得更加广泛，导致局部晶格破坏，进而削弱了接头的强度。这些结果表明，爆炸焊接的接头性能与能量输入存在一个最佳窗口，能量不足会导致结合效果不佳，而能量过高则会引发界面损伤。

此外，研究还比较了不同合金体系的UTS值。FeNiCrCoMn HEA与FeNiCr MEA的爆炸焊接接头表现出显著高于传统HEA或MEA块体材料的强度。例如，Zhou等的研究表明，纯FeNiCrCoMn HEA的UTS约为4.28 GPa，而Chen等的实验结果也显示其UTS为5.4 GPa。相比之下，本文中FeNiCrCoMn/FeNiCr HEA/MEA的UTS范围为5.70–6.04 GPa，这表明爆炸焊接能够有效增强这些多主元合金系统的机械性能。

实验研究也支持了这些原子尺度的发现。例如，Sun等通过实验和SPH-FEM模拟结合，发现增加爆炸能量可以增强界面波的振幅并增厚扩散层，同时在界面附近观察到显著的晶粒细化和再结晶现象。Li等在CoCrNi MEA与316L不锈钢的焊接接头中，发现了均匀的波浪状界面和涡旋区域，这些区域表现出更高的硬度和拉伸强度。Tian等在FeCoNiCrAl?.? HEA与Cu的焊接接头中，观察到界面处的非晶化和孪晶形成，进一步验证了原子尺度的塑性变形机制。Zhou等在TiVTaNb与Ti的焊接中，也发现界面处的硬度提高了12%，而微柱强度则翻倍，这些现象与本文中观察到的剪切诱导非晶化和堆垛层错形成相吻合。

尽管实验和连续介质模型在宏观尺度上提供了有价值的信息，但它们无法揭示爆炸焊接过程中瞬时的原子级变化。MD模拟则能够直接捕捉这些动态过程，包括非晶化、缺陷成核和界面混合等。例如，在2250 m/s的冲击速度下，界面处的非晶化程度和堆垛层错含量达到峰值，这为接头的高强度提供了原子级解释。而在3750 m/s时，由于应力分布的广泛性，界面处的非晶化程度有所下降，同时出现了更多的晶格破坏，这与实验中观察到的脆性界面形成一致。

综上所述，本文的研究揭示了爆炸焊接过程中原子尺度的动态机制，特别是碰撞角度和冲击速度对界面行为和接头性能的影响。这些发现不仅有助于理解多主元合金系统在爆炸焊接中的结合过程，还为优化焊接参数提供了理论依据。通过MD模拟，研究人员能够揭示剪切诱导非晶化和堆垛层错形成在接头强化中的关键作用，这些现象在实验中难以直接观察，但在原子尺度上具有重要的意义。未来的研究可以进一步探索不同合金组合和焊接条件下的原子行为，以更全面地理解爆炸焊接的物理机制，并推动其在更广泛工程应用中的使用。